在炎夏日,衣着单薄却仍然汗流浃背的困扰有望得到解决。
北京大学材料科学与工程学院教授邹如强团队日前在《自然·通讯》发表研究成果,成功研发出一种能够自动调节温度的智能纤维,将科幻般的"衣物空调"变为现实。
这一突破的核心在于对相变材料的创新应用。
相变材料是一类能够在特定温度范围内吸收或释放热量的物质,在智能穿戴领域被公认为具有革命性意义。
邹如强介绍,这种材料的工作原理简明有效:当外界温度升高时,材料内部的相变小分子吸收热量并发生物理状态改变,将热能储存起来;当温度下降时,材料又将储存的热量逐步释放,从而维持穿戴者周围的舒适温度。
然而,将这一技术从实验室转化为实用产品,长期面临一个根本性矛盾。
要实现高效的储热密度,相变材料往结构脆弱、易发生泄漏且导热性能不佳;反之,为了保证结构稳定性而降低储热能力,则失去了调温的实际价值。
这一"性能权衡"困境严重制约了相关技术的规模化应用。
研究团队采用了创新的解决方案。
他们在微观层面为相变材料构建了一个既坚固又高效的结构框架。
具体而言,团队向材料中掺入微量碳纳米管,这种细度仅为头发丝十万分之一的物质既能充当"钢筋"支撑整体骨架,又能作为"高速通道"加快热量传导。
同时,研究人员还构建了一种三维互穿聚合物网络结构,将负责吸热放热的相变小分子精准约束其中。
即使在高温下相变小分子熔化为液体,也会被这个"分子笼"牢牢锁定,完全杜绝了泄漏风险。
这一创新设计带来了显著成效。
研究团队纺制的相变纤维储热能力达到同类材料的顶尖水平,单位重量的吸热量远超既有产品。
同时,纤维具有极强的柔韧性,即使被拉伸至原长的十五倍也不会断裂。
更为重要的是,这种高性能纤维可直接兼容现有商用纺织设备,在剪裁、缝纫、织造等各个环节无缝对接,加工完好率超过98%,为产业化应用扫清了技术障碍。
为验证实际效果,研究团队将相变纤维织成衣物,进行了多场景真人穿戴测试。
在盛夏正午的烈日下,穿着采用相变纤维制成的调温马甲,其表面温度比普通聚酯纤维马甲低8℃,穿戴者普遍反映后背的灼热感消失,仿佛始终处于阴凉环境。
此外,纤维经历了百余次融化—凝固循环的极限疲劳测试,储热能力基本保持稳定,充分证明了其长期可靠性。
邹如强表示,这套创新思路的意义远超单纯的新型布料开发,而是为下一代智能热管理材料开辟了全新路径。
该技术的应用前景广阔,从为消防员设计隔热防护服、为航天员营造舒适舱内微气候,到帮助运动员在竞技中保持最佳状态,再到为建筑外墙赋予能自主"呼吸"的节能功能,都将受益于这一材料基础的进步。
从“让材料会调温”到“让衣物能控温”,关键不在概念的新颖,而在对性能权衡的系统性破解与对产业链环节的可落地衔接。
以相变纤维为代表的智能热管理材料,正在把“更舒适”与“更节能”放到同一张答卷上。
面向不断增长的极端气候挑战与绿色转型需求,基础研究与工程验证的持续打通,将决定这类技术能否加速走进千家万户与更广阔的应用场景。